автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Технологии создания электродов-инструментов для микроэлектроэрозионной обработки

На правах рукописи

КУВШИНОВ Константин Владимирович

ТЕХНОЛОГИИ СОЗДАНИЯ ЭЛЕКТРОДОВ-ИНСТРУМЕНТОВ ДЛЯ МИКРОЭЛЕКТРОЭРОЗИОНИОЙ ОБРАБОТКИ

Специальность 05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-технической обработки

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 7 ЯНВ 2013

Тула 2012

005048412

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Сундуков Владимир Константинович

Официальные оппоненты: Шадский Геннадий Викторович,

доктор технических наук, профессор; ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет», кафедра «АСС» профессор

Татаринов Игорь Владимирович, кандидат технических наук, ООО "ИТО - Туламаш", заместитель директора

Ведущее предприятие: ОАО Научно-производственное объединение

"Сплав".

Защита диссертации состоится « 5 » февраля 2013 г. в/*6® часов на заседании диссертационного совета Д 212.271.01 при ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет» по адресу: 300012, г. Тула, просп. Ленина, 92 (9-101).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет».

Автореферат разослан «2 7 » декабря 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Черняев

Алексей Владимирович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследований

В современной промышленности в связи с миниатюризацией получаемых изделий для улучшения их потребительских свойств, технологичности, эффективности функционирования появилась необходимость в формировании микроэлементов различной формы на поверхностях деталей.

При формировании микроэлементов деталей традиционными методами обработки возникают трудности. Например, при микрофрезеровании расстояние между элементами и их высота ограничены диаметром и длиной рабочей части микрофрезы. Кроме того, затруднено получение микроэлементов на поверхностях деталей из труднообрабатываемых материалов. Одним из методов получения микроэлементов заданной формы является электроэрозионное микроформообразование. Для осуществления процесса электроэрозионного микроформообразования необходимы электроды-инструменты, имеющие на рабочей части микроэлементы заданной формы и соответствующих размеров.

Как показал анализ проведенных ранее исследований, при получении электродов-инструментов (ЭИ) для электроэрозионного микроформообразования достаточно сформировать его рабочую часть (РЧ), которая впоследствии присоединяется к основе ЭИ. Эта особенность открывает огромные возможности для формирования различных микроэлементов (МЭ) на поверхностях заготовок, в том числе из труднообрабатываемых материалов.

Таким образом, весьма актуальной задачей является расширение области применения микроэлектроэрозионной обработки (МЭЭО) посредством разработки новых технологий и конструкций ЭИ.

Цель работы разработка комплексной технологии создания электродов-инструментов для микроэлектроэрозионного формообразования.

Достижение указанной цели потребовало решения в работе следующих задач.

1. Проведение теоретических исследований теплового поля, образовавшегося в результате нагрева при электроэрозионном микроформообразовании в стенках ЭИ малой толщины (менее 200 мкм), для оценки минимально возможных размеров ЭИ.

2. Исследование модели распределения напряженности электрического поля в электролитических ячейках при формировании микроэлементов на рабочей части ЭИ по аддитивной технологии (методом гальванического осаждения) и по субтрактивной технологии (методом электрохимической обработки и химического травления).

3. Разработка технологических схем микроформирования рабочей части ЭИ и схем электроэрозионного формообразования микроэлементов.

4. Разработка комплексной методики проведения экспериментальных исследований процессов и схем микроформообразования ЭИ и микроэлектроэрозионного формообразования микроэлементов различной конфигурации.

5. Проведение экспериментальных исследований по формированию ЭИ для электроэрозионного микроформообразования по субтрактивной и аддитивной технологиям, а также исследований по электроэрозионному формированию микроэлементов спроектированными и изготовленными ЭИ с заданными формой и размерами рабочей части.

6. Разработка технологий изготовления ЭИ для микроэлектроэрозионного формообразования микроэлементов на поверхностях деталей из труднообрабатываемых материалов.

Объектом исследования является рабочая часть электродов-инструментов для МЭЭО с микроэлементами на ее поверхности заданной геометрии, а также технологии их изготовления.

Методы исследования

Теоретические исследования проводились с использованием основных положений теории элекгроэрозионной обработки, электрохимической обработки и гальваники с использованием математического моделирования. Расчеты параметров обработки при электролитическом формообразовании и при МЭЭО проводились с использованием программных продуктов Comsol, Nastran, FlexPDE и Excel. При проведении экспериментальных исследований использовалась современная измерительная и регистрирующая аппаратура.

Положения, выносимые на защиту

1. Модель распределения напряженности электрического поля при формировании микроэлементов рабочей части ЭИ по аддитивной и субтрактивной технологии.

2. Результаты теоретических исследований нагрева стенок ЭИ микрометровой толщины.

3. Результаты экспериментальных исследований при микроформировании рабочей части ЭИ и исследований микроэлектроэрозионного формообразования микроэлементов.

4. Технологии субтрактивного и аддитивного микроформирования рабочей части ЭИ и рекомендации по выбору режимов для изготовления ЭИ и микроэлектроэрозионного формообразования микроэлементов в труднообрабатываемых материалах.

Научная новизна заключается в обосновании минимальных величин геометрических параметров электродов-инструментов для микроэлектроэрозионной обработки за счет определения предельно допустимого теплового потока в стенках ЭИ, а также в обоснование сочетания технологий механического и электрохимического (аддитивного и субтрактивного) микроформообразования при создании сборных электродов-инструментов.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

- разработаны рекомендации по выбору режимов и схем при сочетании методов механического и электролитического формообразования в процессе создания сборных ЭИ, а также по выбору схем микроэлектроэрозионного формообразования микроэлементов;

- спроектированы и изготовлены ЭИ различных групп для МЭЭО с микроэлементами на рабочей части и боковой поверхности ЭИ для улучшения вывода продуктов эрозии при МЭЭО.

Теоретическая значимость работы состоит в том, что на основе математического моделирования рассмотрено влияние теплового потока на разрушение стенок ЭИ малой толщины (менее 200 мкм) в процессе электроэрозионного микроформообразования. Также получено распределение электрического потенциала на поверхности рабочей части ЭИ в различных электролитических ячейках при формообразовании рабочей части ЭИ по субтрактивной и аддитивной технологиям, позволяющее рекомендовать оптимальную схему формообразования рабочей части.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной научно-технической конференции "Современная электротехнология в машиностроении" (Тула, 2007 г.), региональных научно-технических конференциях "Современная электротехнология в промышленности Центра России" (Тула, 2008-2010 гг.), Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов (Тула, 2008 г.), Всероссийской научно-технической конференции "Высокие, критические электро- и нанотехнологии" (Тула, 2011, 2012 гг.), X Всероссийской научно-технической конференции студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых "Техника XXI века глазами молодых ученых и специалистов" (Тула, 2011 г.).

Публикации

По результатам исследований опубликовано 14 печатных работ, в том числе 2 работы в изданиях, входящих в Перечень рецензируемых научных журналов ВАК. Имеется положительное решение о выдаче патента на полезную модель. Общий объем публикаций 6,9 п.л.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, списка литературы из 73 наименований; общий объем - 142 страниц машинописного текста, включая 104 рисунка и 14 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность решаемой задачи, ее практическая значимость, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ современных методов получения микроэлементов на поверхностях деталей из труднообрабатываемых материалов. Установлено, что существующие методы обработки, такие, как механическая, электрохимическая, лазерная обработка, а также методы, основанные на комбинированном воздействии, имеют ряд недостатков. К недостаткам можно отнести ограничения по минимальным размерам рабочего инструмента при проведении формообразования, ограничения по глубине и форме получаемых МЭ. Технологии электрофизических и механических схем обработки не всегда пригодны для получения микрообъектов и микроэлементов на поверхностях деталей, особенно из труднообрабатываемых материалов. В связи с этим метод электроэрозионного микроформообразования является наиболее эффективным и перспективным в данной области. Однако для реализации этого метода необходимо разработать и изготовить ЭИ с заданными геометрическими микропараметрами.

На основании анализа параметров ЭИ для МЭЭО определены факторы, определяющие возможность их изготовления.

Проведен анализ методов изготовления ЭИ с МЭ на поверхности, из которого сделан вывод, что не все методы позволяют обеспечить необходимую точность микроразмеров, поэтому целесообразно рассмотреть различные схемы и методы электрофизико-химического формообразования ЭИ. В связи с уменьшением размеров рабочей части ЭИ возникают задачи, связанные с отводом тепла из зоны обработки. Поэтому необходимо проведение моделирования процесса нагрева ЭИ при МЭЭО с целью выявления минимально достижимых размеров рабочей части ЭИ. Не существует достаточно полных теоретических и экспериментальных данных, описывающих процессы электролитического микроформообразования ЭИ и микро-

электроэрозионного формообразоваяия, а также влияние условий обработки, параметров ЭИ на процесс микроэлектроэрозионного формообразования. Показано, что недостаточно изучены эксплуатационные закономерности ЭИ при малых геометрических параметрах (толщинах стенок, размерах микроэлементов на рабочей части ЭИ). Это создает ряд трудностей для выбора схем электроэрозионной микрообработки, режимов и геометрических параметров ЭИ.

На основании вышеизложенного сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе произведена систематизация МЭ, формируемых на поверхностях деталей. К МЭ, встречающимся в деталях, можно отнести различные пазы и отверстия, как сквозные, так и глухие, выступы на поверхности и обнижения, имеющие микрометровые размеры. Предложено различать микроэлементы по форме, типу контура, по количеству микроэлементов, по глубине и высоте отдельных элементов.

Приведена систематизация конструктивных особенностей ЭИ для МЭЭО. Для этого ЭИ предложено разделить на охватываемые, охватывающие и их комбинацию. Кроме того, были рассмотрены ЭИ с микроэлементами на поверхности, улучшающими их эксплуатационные свойства (например, канавки для улучшения эвакуации продуктов эрозии при электроэрозионной обработке).

Проведена систематизация ЭИ для МЭЭО, причем предложено их разделить на ЭИ с осесимметричной рабочей частью, сетчатые, сложнофасонные ЭИ с объемными микроэлементами (рисунок 1).

С учетом анализа возможных методов изготовления ЭИ для МЭЭО составлена диаграмма возможных границ применения различных методов изготовления ЭИ в зависимости от заданных размеров как собственно ЭИ, так и его рабочей части (рисунок 2). В предложенной диаграмме выделены области методов изготовления ЭИ для микро- и макрообработки.

В результате проведенного анализа различных схем электролитического и электрохимического микроформообразования ЭИ для МЭЭО определены оптимальные схемы изготовления рабочей части ЭИ.

Проведено моделирование процесса электролитического формирования выступающих МЭ на рабочей части ЭИ, при котором анализировалось распределение электрического потенциала в схемах с изолятором различной ширины и толщины в межэлектродном промежутке, которое выражено уравнением Лапласа

= ° О)

дх ду

в области с граничными условиями: на поверхности катода <р\к = <рк ; на участках с изоляцией =о; на поверхности анода <А„='/>„ .

дп

Решение такой задачи позволяет определить характер распределения плотности тока на обрабатываемой поверхности в соответствии с зависимостью

¡-х6-^, (2)

дп

где у - плотность тока; % - удельная электропроводность электролита. При этом сделан вывод, что при электролитическом формовании выступающих МЭ на поверхности рабочей части ЭИ в схеме с изолятором на катоде при изменяющейся ширине изолятора с увеличением толщины изолятора происходит выравнивание распределения электрического потенциала.

Электроды-инструменты для МЭЭО

ЭК с осесго«г1рнчнгй ргбочей частью

Стержнгвые Трубчкыг

III I 1 I

Тоякгсгеккые ЭИ

Мвого-

элгмеЕткый

ЭК с сбъгмиьвш микрюмемдаг&ш

d, ми,: U, ш Ь.мкм а. шаг Т. МЖМ

10Ö-SGS Э8-МЮ 20-208 от 300

я

J

1" ¡

üi щч

Ж

«3 ÍSS>. I;

¿i"

4? .WrtfíX

Рисунок 1 - Систематизация ЭИ для МЭЭО

Кроме того, рекомендовано уменьшение расстояния от изолятора до поверхности электрода, что, однако, усложняет прокачку электролита в межэлектродном

зазоре.

Одлаапь петадой изготовления

£

ЛИ для HOKpooSpaSomxu

{ ^ -!&АШЧ£СКАЯ ОБРАБОТКА -■F.

Размер пехтрода-ияструмевта, мм

Рисунок 2-Диаграмма возможных границ методов изготовления ЭИ с различными геометрическими параметрами

Таким образом, при формировании выступающих МЭ на рабочей части ЭИ с использованием схем с изолятором различной ширины и толщины на поверхности металлической подложки рекомендовано, чтобы толщина изоляции была больше или равна ширине получаемого МЭ.

Моделирование распределения электрического потенциала при формировании рабочей части ЭИ толщиной менее 100 мкм на поверхности оправки заданной формы проведено с помощью программы р1ехРОЕ и заключается в решении уравнения Лапласа (1).

Из анализа зависимостей

распределения электрического потенциала вдоль поверхности оправки следует, что равномерность распределения электрического потенциала вдоль поверхности оправки улучшается, если длина анода меньше длины оправки.

При электроэрозионном формообразовании микроэлементов на поверхности заготовки необходимо оценить минимально возможную толщину стенки ЭИ. Для

этого проведены исследования нестационарного теплопереноса в стенках ЭИ при единичном электрическом разряде.

Расчет выполнялся для микроЭИ в форме параллелепипеда (рисунок 3), где S — толщина стенки ЭИ, которая изменялась от 5 до 30 мкм.

Для учета фазового перехода материала ЭИ (из твердого в жидкое состояние) в математическое описание вводится удельная теплоемкость, зависящая от температуры,

С(Г) = Ст + ¿(Г-Тт)АН + 1(Г-ГШ1 )(СЖ -Ст), (3)

L

I

- электрод-инструмент; 2 - рабочая жидкость; 3 — заготовка (анод); 4 - канал разряда; 5-лунка с расплавленным металлом; 6— генератор импульсов Рисунок 3 — Расчетная схема воздействия

единичного электрического разряда при мнкроэлектроэрознонной обработке на стенку ЭИ

где S(T-rm)

ехр[-(Г-Гпл);/АГ2 ■Jjr&T

- кривая Га-

усса, учитывающая различную теплопроводность материала ЭИ в твердом и жидком состояниях; (Г - тпл) - единичная функция, равная нулю при Т < Тт и равная единице при Т >Тт.

Уравнение нестационарного теплопереноса на поверхности ЭИ имеет вид

С(Т)р0^г=М^Т). (4)

О!

В результате численного решения определяется распределение температуры в течение импульса. В результате расчета определяется доля тепловой энергии, поступившей в ЭИ от общей подведенной энергии.

Тепловой поток на поверхности ЭИ в зоне действия электрического разряда задавался функцией

(5)

щ.

хК,

-ехр

Ыип

5005 45ГО 4000 3500 300(1 2600 200» 1500

/; I -

"»/ : ? •:

______К........ ж'

гояи^та стена

:

500

0 812 $

Топчана стенки Э электрода-ннстру'мекга

Т„л - температура плавления меди; Ткип - температура кипения меди Рисунок 4 - Распределение температуры по толщине стеики ЭИ на его торце при единичном импульсе в процессе МЭЭО при силе тока 1 А и р¡пличной толщине стенки (от 5 до ЗОмкм)

где 7 - доля энергии в канале разряда, поступающая в ЭИ; значение энергии, выделяемой в канале разряда; ЯР - радиус канала разряда; г - радиус-вектор точки на поверхности ЭИ; г„ - радиус-вектор точки на поверхности ЭИ, соответствующей центру канала разряда; \г-га\ = у1(х-х„у +{у~у„У +(-'-г0)г ■

Распределение температуры на торце ЭИ рассчитано при токе электрического разряда от 0,5 до 1 А и толщине стенки ЭИ от 5 до 30 мкм. На рисунке 4 представлен пример распределения температуры на торце ЭИ при силе тока 1 А.

Из анализа приведенных графиков распределения температуры на торце ЭИ можно сделать вывод, что при толщине ЭИ менее 20 мкм происходит расплавление торца ЭИ по всей его толщине, что может влиять на изменение геометрии торца ЭИ, а, следовательно, на точность МЭЭО.

Третья глава посвящена разработке комплексной методики исследования методов изготовления ЭИ для МЭЭО, рассмотренных в первой главе (см. рисунок 1), с учетом результатов теоретических исследований.

Комплексная методика включает методики проектирования и изготовления:

- трубчатых ЭИ, в том числе со спиралевидным пазом на боковой поверхности, при этом рассмотрены параметры их конструктивных элементов;

- ЭИ с микроэлементами на рабочей части заданной формы. Рассмотрены варианты формирования охватывающих микроэлементов по субтрактивной технологии и охватываемых (выступающих) микроэлементов по аддитивной технологии;

- тонкостенных (толщиной менее 200 мкм) ЭИ для микроэлектроэрозионной трепанации и для формирования микропазов заданной формы;

- сложнофасонных ЭИ с объемными микроэлементами на рабочей части;

- трубчатых ЭИ для МЭЭО, изготовление которых возможно осуществлять электролитическим формированием слоя меди на оправке и механическим снятием нанесенного медного слоя;

- трубчатых ЭИ для МЭЭО, формированием слоя меди на химически растворимой оправке и последующим ее полным вытравливанием;

- ЭИ для МЭЭО формированием слоя меди на химически растворимой оправке и частичным вытравливанием оправки, при этом варианте изготовления ЭИ оправка вытравливается на малую глубину (1...5 мм), необходимую при последующем формировании МЭ методом МЭЭО, что позволяет увеличить жесткость ЭИ, а

а - ЭИ квадратного сечения; б - ЭИ прямоугольного сечения Рисунок 5 - Примеры ЭИ, изготовленных методом гальванического осаждения

также сформировать сборную конструкцию с предварительно изготовленной державкой для закрепления в приводе станка;

- МЭ на поверхности детали методом электроэрозионного микроформообразования;

- измерения ЭИ и получаемых с их помощью МЭ на поверхностях деталей.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований различных методов формирования ЭИ и электроэрозионного микроформообразования с их помощью.

В результате экспериментальных исследований методом аддитивного формообразования изготовлены ЭИ из меди квадратного и прямоугольного сечения.

На рисунке 5 представлены примеры изготовленных трубчатых ЭИ квадратного и прямоугольного сечения с толщиной стенки от 300 до 770 мкм:

1) квадратного сечения со стороной внутренней части сечения размером 0,91 мм и внешней части сечения размером 1,92 мм (рисунок 5,а);

2) прямоугольного сечения с размерами внутренней части 0,9х 1,74 мм (рисунок 5,6).

В соответствии с методикой, представленной в подразделе 3.1 диссертации, проведены экспериментальные исследования и изготовлены ЭИ круглого сечения из меди диаметром от 480 мкм до 1010 мкм с толщиной стенки от 130 мкм до 382 мкм. На рисунке 6 показан пример трубчатого ЭИ круглого сечения диаметром 480 мкм с толщиной стенки 130 мкм, нанесенной гальванически на оправку диаметром 80 мкм с последующим механическим ее отделением.

С помощью созданных ЭИ согласно методике изготовления МЭ были проведены эксперименты на станке 4Г721М с генератором ШГИ.

В результате проведенных экспериментов получены следующие результаты:

1) при увеличении частоты следования импульсов от 440 до 3525кГц производительность обработки повышалась в 1,5 раза;

2) при увеличении частоты импульсов от 440 до 3520 кГц межэлекгродный зазор уменьшается в 1,2 раза, а, следовательно, точность МЭЭО увеличивается в 1,2 раза.

На рисунке 7 показаны примеры полученных МЭ квадратной и прямоугольной формы на поверхности заготовок из различных металлов: твердого сплава Т15К6 (рисунок 7,а), нержавеющей стали 12Х18Н10Т (рисунок 7,б,в), углеродистой стали ШХ15 (рисунок 7,г); с помощью ЭИ, изготовленных по аддитивной технологии.

МЭ, представленные на рисунке 7,г, изготовлены на экспериментальной установке МЭЭУ-1, в которой использовался режим МЭЭО пакетами высокочастотных импульсов (частота следования пакетов - 1...100 кГц). При этом наблюдается уменьшение межэлектродного зазора от 50...90 мкм на станке 4Г721М с генератором ШГИ до 10 мкм на экспериментальной установке МЭЭУ-1.

Рисунок 6 - Пример ЭИ круглого сечения, изготовленного методом гальванического осаждения

а б в г

а - микроэлемент прямоугольной формы на заготовке из твердого сплава Т15К6; б - микроэлемент прямоугольной формы на заготовке из стали 12Х18Н10Т; в - микроэлемент квадратной формы на заготовке из стали 12Х18Н10Т; г-микроэлемент квадратной формы на заготовке из углеродистой стали ШХ15 Рисунок 7 - Примеры МЭ квадратной и прямоугольной формы на поверхности заготовок из различных металлов и сплавов, изготовленных МЭЭО

В результате экспериментальных исследований методом аддитивного формообразования медного слоя на оправке и последующего субтрактивного химического растворения оправки изготовлены сборные ЭИ с рабочей частью прямоугольного сечения с толщиной стенки 0,096 и 0,260 мм, представленные на рисунке 8.

а б

1 - оправка-электрододержатель; 2 - рабочая часть ЭИ; а - ЭИ прямоугольной формы с соотношением сторон меньше 2 и толщиной стенки 96 мкм; б - ЭИ прямоугольной формы с соотношением сторон больше 2 и толщиной стенки 260 мкм; Рисунок 8 - ЭИ, изготовленные гальваническим осаждением на оправку с ее частичным

растворением

Согласно методике исследований, представленной в подразделе 3.2 диссертации, и проведенным экспериментальным исследованиям спроектированы и изп> товлены ЭИ со спиралевидным пазом, имеющим различный шаг.

На рисунке 9 представлен изготовленный ЭИ диаметром 0,293 мм со спиралевидным пазом с шагом 0,806 мм шириной 0,091 мм.

В соответствии с методикой, приведенной в подразделе 3.3 диссертации, проводилось формирование МЭ в форме квадратов и треугольников на РЧ сетчатого ЭИ по субтрактивной технологии анодным растворением медной фольги толщиной 50 мкм.

Из анализа результатов измерений ЭИ установлено, что при анодном растворении рабочей части ЭИ возможен подтрав под фоторезист, размер которого составляет менее 10 % от размера МЭ.

Изготовлен сетчатый ЭИ с МЭ на рабочей части в виде квадратов со стороной 0,768 мм и треугольников с размером сторон 0,425 мм.

К5 ,4)

4

4

Рисунок 9 - Пример ЭИ со спиралевидным пазом, полученным гальваническим осаждением через изолятор

0Л97

При проведении экспериментальных исследований с использованием сетчатого ЭИ получены следующие результаты:

1) при электроэрозионной обработке в керосине на станке 4Г21М с генератором ШГИ межэлектродный зазор составил более 50 мкм, шероховатость К а формируемых МЭ составила 6,3 мкм;

2) применение экспериментальной установки МЭЭУ-1, в которой использовался режим МЭЭО пакетами высокочастотных импульсов, позволило уменьшить межэлектродные зазоры при формировании микроэлементов до 10 мкм и снизить шероховатость Яа до 0,11 мкм.

Согласно методике, приведенной в подразделе 3.3 диссертации, проведено формирование на рабочей части ЭИ микроэлементов сложной формы по субтрак-тивной технологии.

На рисунке 10 показан ЭИ с микроэлементами сложной формы на рабочей части.

При химическом травлении рабочей части ЭИ с МЭ сложной формы наблюдался подтрав под фоторезист, размер подтрава составлял менее 10 % о г размера микроэлемента.

В результате экспериментов изготовлены ЭИ из бронзы с выступающими МЭ сложного профиля. На рисунке 11,а представлен ЭИ второго порядка из бронзы с выступающими микроэлементами сложной формы на рабочей части высотой 0,3 мм, изготовленный на экспериментальной установке МЭЭУ-1 сетчатым ЭИ, показанным на рисунке 10. На рисунках 11,б,в приведена заготовка из стали ШХ15 с микроэлементами сложной формы на поверхности, сформированными на экспериментальной установке МЭЭУ-1 электродом-инструментом второго порядка из бронзы на глубину 0,12 мкм. При этом погрешность обработки составила менее 20 мкм.

Проведено формирование МЭ на рабочей части ЭИ по аддитивной технологии осаждением слоя меди толщиной 170 мкм на поверхность металлической подложки через трафарет из фоторезиста с последующим ее отделением.

0,5в5

1 - рабочая часть ЭИ; 2 - электрододержатель Рисунок 10 - ЭИ с микроэлементами сложной формы на рабочей части, изготовленный по субрактнвной технологии

а б

а - ЭИ из бронзы с выступающими микроэлементами; б - заготовка из стали ШХ15 (вид

спереди); в - заготовка из стали ШХ15 (вид под углом) Рисунок 11 - ЭИ второго порядка и микроэлементы сложной формы, полученные МЭЭО

на поверхности заготовок

При гальваническом осаждении рабочей части ЭИ с МЭ в форме прямоугольников наблюдался выход осажденного слоя за край пробельного участка между изоляторами, который составлял менее 10 % от заданного размера микроэлемента.

Спроектирован и изготовлен ЭИ с МЭ на рабочей части в виде прямоугольников со сторонами 0,593 и 1,010 мм, расположенными на расстоянии 0,235 мм друг от друга.

Согласно методике изготовления тонкостенных ЭИ проведены эксперименты по формированию слоя меди толщиной менее 100 мкм. Формирование слоя осуществлялось на стальной оправке диаметром 8,43 мм.

Изготовлен тонкостенный ЭИ с толщиной стенки 50 мкм.

Измерения толщины осажденного слоя меди вдоль оправки подтвердили результаты теоретического анализа распределения электрического потенциала при формировании рабочей части ЭИ, то есть выбранная схема с анодом, имеющим длину меньше, чем длина оправки, позволила достичь лучшей равномерности толщины осадка по длине оправки (96...98%).

Согласно методике исследований, приведенной в подразделе 3.5, проведены эксперименты по формированию объемных МЭ и изготовлен сложнофасонный ЭИ с объемными МЭ на рабочей части, представленный на рисунке 12. Рабочая часть ЭИ имеет толщину до 0,5 мм.

1 — ЭИ после отделения от оправки с припаянной РЧ;

2 - оправка со сложнофасоннымн МЭ на поверхности Рисунок 12 - Сложнофасонный ЭИ с объемными микроэлементами

Таким образом, при проведении экспериментов по формированию микроэлементов на рабочей части ЭИ спроектированы и изготовлены ЭИ, характеристики которых соответствуют рассмотренным в главе 2.

В пятой главе на основании анализа систематизации ЭИ для МЭЭО, а также теоретических и экспериментальных исследований процессов микроформообразования проведена систематизация технологий изготовления ЭИ для МЭЭО.

В соответствии с разработанной систематизацией на основе теоретических и экспериментальных исследований разработаны технологии изготовления ЭИ для МЭЭО:

1) трубчатых ЭИ с различным поперечным сечением (прямоугольник, квадрат, круг, сложного контура) микрометровых размеров;

2) ЭИ со спиралевидным пазом, имеющим микрометровую ширину и глубину при заданной форме и величине шага пазов;

3) тонкостенных ЭИ с частично или полностью растворенной оправкой-держателем (положительное решение о выдаче патента РФ по заявке № 2012132740 от 08.11.2012 г. на полезную модель «Электрод-инструмент для микроэлектроэро-зионной обработки») для микроэлектроэрозионной трепанации и для формирования микропазов шириной менее 100 мкм;

4) технологию (аддитивную или субтрактивную) получения сетчатых ЭИ с МЭ на рабочей части в форме квадратов, треугольников, прямоугольников и микроэлементов сложной формы;

5) сложно фасонных ЭИ с объемными МЭ на рабочей части.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. В результате анализа современных методов получения микроэлементов на поверхности деталей из труднообрабатываемых материалов установлено, что существующие методы обработки, такие, как механический, электрохимический, лазерный, а также методы, основанные на комбинированном воздействии, имеют недостатки, связанные в основном с трудностями обеспечения точности и качества обработки микроэлементов.

2. На основании систематизации микроэлементов на поверхностях деталей предложено их различать по четырем критериям: форме, типу контура, количеству элементов, глубине и высоте отдельных элементов. Разработанная систематизация конструктивных особенностей ЭИ для МЭЭО включает следующие виды: охватываемые, охватывающие и ЭИ с микроэлементами на поверхности для улучшения их свойств. Анализ характеристик ЭИ для электроэрозионного микроформообразования показал, что целесообразно их разделить по характеру формируемых поверхностей на ЭИ с осесимметричной рабочей частью, сетчатые, сложнофасонные ЭИ с объемными микроэлементами на рабочей части.

3. Теоретические исследования процесса электролитического формирования выступающих микроэлементов на рабочей части ЭИ с использованием схем с изолятором различной ширины и толщины на поверхности металлической подложки позволили рекомендовать, чтобы толщина изоляции была больше или равна ширине получаемого микроэлемента. Кроме того, рекомендовано уменьшать расстояние от изолятора до поверхности электрода, что, однако, усложняет прокачку электролита в межэлектродном зазоре.

4. В результате анализа зависимостей распределения электрического потенциала при формировании рабочей части ЭИ с толщиной стенки менее 100 мкм на поверхности оправки заданной формы установлено, что равномерность распределения электрического потенциала возрастает в случае, если длина анода из меди меньше длины оправки, на которой формируется рабочая часть ЭИ.

5. Проведены исследования распределения температур на торце ЭИ малой толщины при его нагреве в процессе электроэрозионного микроформообразовании. При анализе графиков распределения температуры на торце ЭИ с толщиной стенки от 5 до 30 мкм установлено, что при толщине ЭИ менее 20 мкм происходит расплавление торца ЭИ по всей его толщине, что можег влиять на изменение геометрии торца ЭИ, а, следовательно, на точность микроэлектроэрозионной обработки.

6. В результате проведенных исследований разработан и реализован комплекс технологий для создания ЭИ для микроэлектроэрозионного формообразования, основанный на сочетании механической и электрофизикохимической обработки, который включает следующие технологии изготовления:

- трубчатых ЭИ с различным поперечным сечением (прямоугольник, квадрат, круг, сложного контура) микрометровых размеров;

- ЭИ со спиралевидным пазом, имеющим микрометровую ширину и глубину при заданной форме и величине шага пазов;

- тонкостенных ЭИ с частично или полностью растворенной оправкой-держателем (положительное решение о выдаче патента РФ по заявке № 2012132740 от 08.11.2012 г. на полезную модель «Электрод-инструмент для микроэлектроэро-зионной обработки») для микроэлектроэрозионной трепанации и для формирования микропазов шириной менее 100 мкм;

- технологию (аддитивную или субтрактивную) получения сетчатых ЭИ с МЭ на рабочей части в форме квадратов, треугольников, прямоугольников и микроэлементов сложной формы;

- сложно фасонных ЭИ с объемными МЭ на рабочей части.

Для рационального выбора метода получения рабочей части ЭИ составлена систематизация технологий изготовления таких ЭИ. С использованием полученных по разработанным технологиям ЭИ изготовлены микроэлементы на поверхностях деталей из твердого сплава Т15К6, нержавеющей стали 12Х18Н10Т, углеродистой стали ШХ15, а также ЭИ второго порядка из бронзы с микроэлементами сложной формы.

Основное содержание работы отражено в следующих публикациях:

1. Кувшинов К.В. Исследование процесса электролитического формирования микрообъектов // Современная электротехнология в машиностроении: сборник трудов международной НТК. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2007. - С. 188-191.

2. Кувшинов К.В., Сундуков В.К. Электролитическое формирование покрытий на маложестких микрообъектах // Современная электротехнология в машиностроении: сборник трудов международной НТК. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2007. - С. 131 -136.

3. Кувшинов К.В., Сундуков В.К. Электролитическое формование микроэлектродов для электроэрозионной прошивки // Современная электротехнология в промышленности Центра России: сб. трудов региональной НТК. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2008.-С. 22-31.

4. Кувшинов К.В. Изготовление фасонных электродов-инструментов для микроэрозионной обработки // Сборник тезисов всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов, — Тула: Изд-во ТулГУ, 2008. — С. 104-106.

5. Кувшинов К.В., Сундуков В.К., Тимофеев Ю.С. Получение профилированных электродов-инструментов для микроэлектроэрозионной обработки // Современная электротехнология в промышленности Центра России: сб. трудов региональной НТК. -Тула: Изд-во ТулГУ. 2009 г. - С. 84-90.

6. Кувшинов К.В., Сундуков В.К. Изучение конструктивных особенностей трубчатых электродов-инструментов для микроэлектроэрозионной обработки // Современная электротехнология в промышленности Центра России: сб. трудов региональной НТК. -Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. - С. 143-153.

7. Кувшинов К.В., Щербина В.И., Беспалов Д.С. Теплофизические процессы при электроэрозионной микрообработке ультракороткими импульсами напряжения II Высокие, критические электро- и нанотехнологии: труды всероссийской научно-технической конференции. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. — С. 148-158.

8. Кувшинов К.В., Сундуков В.К. Изготовление микроэлектродов-инструментов различной формы для различных схем электроэрозионной обработки // Высокие, критические электро- и нанотехнологии: труды Всероссийской научно-технической конференции. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. - С. 165-172.

9. Кувшинов К.В., Бадалов П.А., Курочкин А.И. Микроэлектроэрозионная обработка трубчатыми электродами // Техника XXI века глазами молодых ученых и специалистов: Материалы докладов всероссийской НТК студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. - С. 362-171.

- т

10. Кувшинов К.В., Сундуков В.К. Разработка технологии изготовления электродов-инструментов с микроэлементами на поверхности рабочей части // Высокие, критические электро- и нанотехнологии: труды научно-технической конференции посвященной 85-летию Седыкина Федора Владимировича / ТулГУ. - Тула, 2012. - С. 81-90.

11. Кувшинов К.В., Сундуков В.К. Получение тонкостенных электродов-инструментов для микроэлектроэрозионной обработки // Высокие, критические электро- и нанотехнологии: труды научно-технической конференции посвященной 85-летию Седыкина Федора Владимировича / ТулГУ. - Тула, 2012. - С. 121-127.

12. Кувшинов КВ. Технологии изготовления электродов-инструментов с микроэлементами // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. - Вып. 3. - С. 48-57.

13. Кувшинов К.В., Курочкин А.И. Получение поверхностных микроэлементов методом микроэлектроэрозионной обработки // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. — Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. — Вып. 5.-С. 177-186.

14. Кувшинов К.В., Любимов В.В., Сундуков В.К. Положительное решение о выдаче патента РФ по заявке № 2012132740 от 08.11.2012 г. на полезную модель «Электрод-инструмент для микроэлектроэрозионной обработки».

Изд. лиц. ЛР№ 020300 от 12.02.97. Подписано в печать 25.12.12 Формат бумаги 60x84 '/(б. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1,2. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 065 Тульский государственный университет 300600, г. Тула, просп. Ленина, 92 Отпечатано в Издательстве ТулГУ 300600, г. Тула, просп. Ленина, 95

ВВЕДЕИЕ.

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. П

1.1 Анализ объекта исследования.

1.2 Классификация методов получения микроэлементов на поверхностях деталей.

1.2.1 Получение микроэлементов на поверхностях деталей механической обработкой материала.

1.2.2 Физические методы получения микроэлементов на поверхностях деталей.

1.2.3 Термомеханические методы получения микроэлементов.

1.2.4 Химические методы получения микроэлементов.

1.2.5 Электрохимические методы получения микроэлементов.

1.2.6 Электрофизические методы получения микроэлементов.

1.3 Методы изготовления электродов-инструментов для микроэлек-троэрозионной обработки.

1.3.1 Механические методы изготовления электродов-инструментов.

1.3.2 Изготовление электродов-инструментов методом пластической деформации.

1.3.3 Изготовление электродов-инструментов методами прототипи-рования.

1.4 Выводы по главе 1. Цель и задачи исследования.

ГЛАВА 2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ МИКРОФОРМООБРАЗОВАНИЯ.

2.1 Систематизация микроэлементов на поверхности деталей.

2.1.1 Анализ характеристик микроэлементов по форме.

2.1.2 Анализ характеристик микроэлементов по типу контура.

2.1.3 Анализ характеристик микроэлементов по количеству микроэлементов.

2.1.4 Анализ характеристик микроэлементов по глубине и высоте.

2.2 Систематизация конструктивных особенностей электродов-инструментов для микроэлектроэрозионной обработки.

2.3 Анализ характеристик электродов-инструментов для электроэрозионного микроформообразования.

2.4 Анализ методов изготовления электродов-инструментов для микроэлектроэрозионной обработки.

2.5 Анализ схем электролитического и электрохимического микроформообразования электродов-инструментов.

2.6 Теоретические исследования процесса электролитического формирования микроэлементов на рабочей части электрода-инструмента.

2.7 Теоретические исследования процесса электролитического формирования тонкостенных электродов-инструментов на поверхности ме-таллическои оправки.

2.8 Исследование теплового поля в стенках электродов-инструментов малой толщины в результате нагрева при электроэрозионном микроформообразовании.

2.9 Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3 КОМПЛЕКСНАЯ МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССОВ МИКРОФОРМООБРАЗОВАНИЯ.

3.1 Методика изготовления трубчатых электродов-инструментов для микроэлектроэрозионной обработки.

3.2 Методика изготовления трубчатых электродов-инструментов со спиралевидным пазом на поверхности.

3.3 Методика изготовления электродов-инструментов с микроэлементами заданной формы на рабочей части.

3.4 Методика изготовления тонкостенных ЭИ для микроэлектроэрозионной трепанации и для формирования микропазов заданной формы.

3.5 Методика изготовления сложнофасонных электродов-инструментов с объемными микроэлементами на рабочей части для микроэлектроэрозионной обработки.

3.6 Методика получения микроэлементов методом электроэрозионного микроформообразования.

3.7 Методика проведения измерений электродов-инструментов и получаемых с их помощью микроэлементов.

3.8 Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ МИКРОФОРМООБРАЗОВАНИЯ.

4.1 Формирование трубчатых электродов-инструментов заданной геометрии вытравливанием оправки.

4.2 Изготовление трубчатых электродов-инструментов с заданной геометрией механическим отделением оправки.

4.3 Формирование трубчатых электродов-инструментов со спиралевидным пазом на поверхности.

4.4 Изготовление электродов-инструментов с микроэлементами заданной формы на рабочей части.

4.5 Изготовление тонкостенных электродов-инструментов для микроэлектроэрозионной обработки.

4.6 Изготовление сложнофасонных электродов-инструментов с объемными микроэлементами для микроэлектроэрозионной обработки

4.7 Выводы по главе 4.

ГЛАВА 5 РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЙ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОДОВ-ИНСТРУМЕНТОВ ДЛЯ МИКРОЭЛЕКТРО-ЭРОЗИОННОЙ

ОБРАБОТКИ.

5.1 Технология изготовления трубчатых электродов-инструментов для обработки микроотверстий.

5.2 Технология получения трубчатых электродов-инструментов со спиралевидным пазом.

5.3 Технология изготовления электродов-инструментов для обработки микроплощадок и микропазов.

5.4 Технология изготовления сетчатых электродов-инструментов.

5.5 Технология изготовления сложнофасонных электродов-инструментов

5.6 Выводы по главе 5.

Одними из направлений развития техники в настоящее время являются миниатюризация объектов, получение элементов с различными микропазами, микроотверстиями, микровыступами и т.д. Повышение требований, предъявляемых к качеству деталей с точки зрения улучшения точности и качества поверхности при их обработке, заставляет технологов искать пути их выполнения. При этом нужно отметить сверхминиатюрные размеры обрабатываемых деталей и сложность обрабатываемого контура, что требует поиска новых методов обработки и инструментов для их реализации [1,2].

Важную роль играет эта проблема в различных сферах деятельности человека: в медицине (создание микроинструментария для проведения операций на головном мозге); в электротехнике, радиотехнике (создание микрозондов, микродатчиков и т.д.); в приборостроении, автомобилестроении (создание натуральных фактур на ненатуральных материалах и т.д.); в полиграфии (создание печатных форм) и ряде других.

Благодаря современным достижениям в области производства микроинструмента становится возможным решение ряда подобных задач с помощью механической обработки. Однако изготовление микроинструментов для механической обработки довольно дорого, поэтому возникает вопрос о целесообразности их применения, особенно, когда приходится иметь дело с труднообрабатываемыми материалами. При обработке инструментальных материалов и твердых сплавов механическая обработка невозможна, поэтому целесообразно использовать более эффективные методы обработки, в частности, электроэрозионную обработку.

Применение электроэрозионной обработки (ЭЭО) в промышленном производстве за последние годы резко возросло. Это связано, в первую очередь, с появлением на российских предприятиях современного электроэрозионного оборудования таких фирм, как "Sarix", "Agie", "Charmilles Technology", "Fanuc", "Mitsubishi ", "Elox", "Sodick". Кроме того, в последние годы значительно повышены технологические показатели ЭЭО — производительность, точность, качество поверхности. Так, например, на станках фирмы "8осНск" отклонение от заданного контура составляет не более 4 мкм, шероховатость поверхности - 0,5 мкм Ыа (8-й класс) [3].

Однако, несмотря на это, все еще остается множество задач, связанных с обработкой микрообъектов, размеры которых зачастую составляют несколько десятков микрометров. Одним из самых перспективных методов в этой области является электроэрозионное микровырезание непрофилированным электродом-инструментом (проволокой). Такие малые размеры обрабатываемых элементов накладывают свои ограничения на параметры процесса, в частности, становится невозможной обработка обычной проволокой диаметром ОД.0,3 мм, так как ее применение не позволяет достичь необходимой точности при обработке в углах. Это требует применения более тонких проволок, что, в свою очередь, создает новую проблему, связанную с подачей электрода-инструмента (ЭИ) в зону обработки, так как традиционные способы протягивания проволок создают слишком большие растягивающие усилия. Применение электроэрозионного вырезания проволокой не всегда является целесообразным: так, например, при обработке тонких пластинчатых заготовок предпочтительнее использовать электроэрозионное прошивание (ЭЭП) профилированным ЭИ, что позволяет значительно сократить время обработки, а также не требует прошивки предварительного отверстия при обработке замкнутых контуров, что исключает лишнюю операцию из технологического процесса [1,2]. Метод ЭЭП профилированным ЭИ в последние время набирает популярность с появлением на рынках трубчатых ЭИ диаметром от 0,1 мм. На рынках и в Интернет-магазинах ограничен выбор формы трубчатых ЭИ для микроэлектроэрозионной обработки (МЭЭО). Выбор ограничивается одноканальными (внешний диаметр от 0,1 мм) и двухканальными ЭИ (внешний диаметр от 0,4 мм). Четырех- и шестиканальные ЭИ имеют внешний диаметр от 2 мм [3,4]. При этом выбор формы рабочей части ЭИ ограничен электродами с поперечным сечением в форме круга.

Таким образом, весьма актуальной задачей является расширение области применения МЭЭО посредством разработки новых технологий и конструкций ЭИ.

Актуальность исследований подтверждается грантом: Президента РФ № НШ-1523.2003.8 «Создание теории и технологических методов обработки на основе нано- и микроэлектрофизических и электрохимических воздействий на материалы в электролитах, вакууме и других средах».

Целью работы является разработка комплексной технологии создания электродов-инструментов для микроэлектроэрозионного формообразования.

Достижение указанной цели потребовало решения в работе следующих задач.

1. Проведение теоретических исследований теплового поля, образовавшегося в результате нагрева при электроэрозионном микроформообразовании в стенках ЭИ малой толщины (менее 200 мкм), для оценки минимально возможных размеров ЭИ.

2. Исследование моделей распределения напряженности электрического поля в электролитических ячейках при формировании микроэлементов на рабочей части ЭИ по аддитивной технологии (методом гальванического осаждения) и по субтрактивной технологии (методом электрохимической обработки и химического травления).

3. Разработка технологических схем микроформирования рабочей части ЭИ и схем электроэрозионного формообразования микроэлементов.

4. Разработка комплексной методики проведения экспериментальных исследований процессов и схем микроформообразования ЭИ и микроэлектроэрозионного формообразования микроэлементов различной конфигурации.

5. Проведение экспериментальных исследований по формированию ЭИ для электроэрозионного микроформообразования по субтрактивной и аддитивной технологиям, а также исследований по электроэрозионному формированию микроэлементов спроектированными и изготовленными ЭИ с заданными формой и размерами рабочей части.

6. Разработка технологий изготовления ЭИ для микроэлектро-эрозионного формообразования микроэлементов на поверхностях деталей из труднообрабатываемых материалов.

Объектом исследования является рабочая часть электродов-инструментов для МЭЭО с микроэлементами на ее поверхности заданной геометрии, а также технологии их изготовления.

Методы исследования

Теоретические исследования проводились с использованием основных положений теории электроэрозионной обработки, электрохимической обработки и гальваники с использованием математического моделирования. Расчеты параметров обработки при электролитическом формообразовании и при МЭЭО проводились с использованием программных продуктов Comsol, Nastran, FlexPDE и Excel. При проведении экспериментальных исследований использовалась современная измерительная и регистрирующая аппаратура.

Положения, выносимые на защиту

1 .Модель распределения напряженности электрического поля при формировании микроэлементов рабочей части ЭИ.

2. Результаты теоретических исследований нагрева стенок ЭИ микрометровой толщины.

3. Результаты экспериментальных исследований при микроформировании рабочей части ЭИ и исследований микроэлектроэрозионного формообразования микроэлементов.

4. Технологии субтрактивного и аддитивного микроформирования рабочей части ЭИ и рекомендации по выбору режимов для изготовления ЭИ и микроэлектроэрозионного формообразования микроэлементов.

Научная новизна заключается в обосновании минимальных величин геометрических параметров электродов-инструментов для микроэлектроэрозионной обработки за счет определения предельно допустимого теплового потока в стенках ЭИ, а также в обоснование сочетания технологий механического и электрохимического (аддитивного и субтрактивного) формообразования при создании сборных электродов-инструментов.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

- разработаны рекомендации по выбору режимов и схем при сочетании методов механического и электролитического формообразования в процессе создания сборных ЭИ, а также по выбору схем микроэлектроэрозионного формообразования микроэлементов;

- спроектированы и изготовлены ЭИ различных групп для МЭЭО с микроэлементами на рабочей части и боковой поверхности для улучшения вывода продуктов эрозии при МЭЭО.

Теоретическая значимость работы состоит в том, что на основе математического моделирования рассмотрено влияние теплового потока на разрушение стенок ЭИ малой толщины (менее 200 мкм) в процессе электроэрозионного микроформообразования. Также получено распределение электрического потенциала на поверхности рабочей части ЭИ в различных электролитических ячейках, при формообразовании рабочей части ЭИ по субтрак-тивным и аддитивным технологиям, позволяющее рекомендовать оптимальную схему формообразования.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной научно-технической конференции "Современная электротехнология в машиностроении" (Тула, 2007 г.), региональных научно-технических конференциях "Современная электротехнология в промышленности Центра России" (Тула, 2008-2010 гг.), Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов (Тула, 2008 г.), Всероссийской научно-технической конференции "Высокие, критические электро- и нанотехнологии" (Тула, 2011, 2012 гг.), X Всероссийской научно-технической конференции студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых "Техника XXI века глазами молодых ученых и специалистов" (Тула, 2011 г.).

Публикации

По результатам исследований опубликовано 14 печатных работ, в том числе 2 работы в изданиях, входящих в Перечень рецензируемых научных журналов ВАК. Имеется положительное решение о выдаче патента на полезную модель. Общий объем публикаций 6,9 п.л.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, списка литературы из 73 наименований; общий объем - 142 страниц машинописного текста, включая 104 рисунка и 14 таблиц.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. В результате анализа современных методов получения микроэлементов на поверхности деталей из труднообрабатываемых материалов установлено, что существующие методы обработки, такие, как механический, электрохимический, лазерный, а также методы, основанные на комбинированном воздействии, имеют недостатки, связанные в основном с трудностями обеспечения точности и качества обработки микроэлементов.

2. На основании систематизации микроэлементов на поверхностях деталей предложено их различать по четырем критериям: форме, типу контура, количеству элементов, глубине и высоте отдельных элементов. Разработанная систематизация конструктивных особенностей электродов-инструментов для микроэлектроэрозионной обработки включает следующие виды: охватываемые, охватывающие и электроды-инструменты с микроэлементами на поверхности для улучшения их свойств. Анализ характеристик электродов-инструментов для электроэрозионного микроформообразования показал, что целесообразно их разделить по характеру формируемых поверхностей на ЭИ с осесимметричной рабочей частью, сетчатые, сложнофасонные ЭИ с объемными микроэлементами на рабочей части.

3. Теоретические исследования процесса электролитического формирования выступающих микроэлементов на рабочей части электрода-инструмента с использованием схем с изолятором различной ширины и толщины на поверхности металлической подложки позволили рекомендовать, чтобы толщина изоляции была больше или равна ширине получаемого микроэлемента. Кроме того, рекомендовано уменьшение расстояния от изолятора до поверхности электрода, что, однако, усложняет прокачку электролита в межэлектродном зазоре.

4. В результате анализа зависимостей распределения электрического потенциала при формировании рабочей части электродов-инструментов с толщиной стенки менее 100 мкм на поверхности оправки заданной формы установлено, что равномерность распределения электрического потенциала возрастает в случае, если длина анода из меди меньше длины оправки, на которой формируется рабочая часть ЭИ.

5. Проведены исследования распределения температур на торце электрода-инструмента малой толщины при его нагреве в процессе электроэрозионного микроформообразовании. При анализе графиков распределения температуры на торце ЭИ с толщиной стенки от 5 до 30 мкм установлено, что при толщине ЭИ менее 20 мкм происходит расплавление торца ЭИ по всей его толщине, что может влиять на изменение геометрии торца ЭИ, а, следовательно, на точность микроэлектроэрозионной обработки.

6. В результате проведенных исследований разработан и реализован комплекс технологий для создания ЭИ для микроэлектроэрозионного формообразования, основанный на сочетании механической и электрофизикохими-ческой обработки, который включает следующие технологии изготовления:

- трубчатых ЭИ с различным поперечным сечением (прямоугольник, квадрат, круг, сложного контура) микрометровых размеров;

- ЭИ со спиралевидным пазом, имеющим микрометровую ширину и глубину при заданной форме и величине шага пазов;

- тонкостенных ЭИ с частично или полностью растворенной оправкой-держателем (положительное решение о выдаче патента РФ по заявке № 2012132740 от 08.11.2012 г. на полезную модель «Электрод-инструмент для микроэлектроэрозионной обработки») для микроэлектроэрозионной трепанации и для формирования микропазов шириной менее 100 мкм;

- технологию (аддитивную или субтрактивную) получения сетчатых ЭИ с МЭ на рабочей части в форме квадратов, треугольников, прямоугольников и микроэлементов сложной формы;

- сложно фасонных ЭИ с объемными МЭ на рабочей части.

Для рационального выбора метода получения рабочей части ЭИ составлена систематизация технологий изготовления таких ЭИ. С использованием полученных по разработанным технологиям ЭИ изготовлены микроэлементы на поверхностях деталей из твердого сплава Т15К6, нержавеющей стали 12Х18Н10Т, углеродистой стали ШХ15, а также ЭИ второго порядка из бронзы с микроэлементами сложной формы.

1. Екатериничев A. JI. Обоснование параметров электродов-инструментов и условий электроэрозионного микроформообразования: дис. канд. техн. наук., Тула. 2007. 143 с.

2. Жоголев А. Б. Электрохимическое микроформообразование микродеталей типа тел вращения: дис. канд. техн. наук., Тула, 2005. 137 с.3. http://www.sodick.su/e-store/index.php7SECTION 1Р=3284. http://nizhniynovgorod.olx.ru/iid-212354456

3. Klocke, L. F. Innovation and performance in wire-EDM // Proceedings of International Symposium for Electromachining ISEM XIII. 2001.

4. Comparison of measured and simulated crater morphology for EDM / H.-P. Schulze, et al. // Proceedings of International Symposium for Electromachining - ISEM XIV. 2004. P. 316 - 322.

5. Красников, В. Ф. Технология миниатюрных изделий. М.: Машиностроение, 1976.

6. Золотых Б. Н., Мельдер P.P. Физические основы электроэрозионной обработки. М.: Машиностроение, 1977. - 42 с.

7. Коваленко, B.C. Обработка материалов импульсным излучением лазеров. Киев, 1987, -144с.

8. Фотеев, Н. К. Технология электроэрозионной обработки. М.: Машиностроение, 1980, 184 с.

9. Bernd, M. After 60 years of EDM the discharge process remains still disputed // Proceedings of International Symposium for Electromachining ISEM XIV. 2004. P. 376-381

10. Chin-Teng Lin, I-Fang Chung, Shih-Yu Huang. Improvement of machining accuracy by fuzzy logic at corner parts for wire-EDM.

11. Theoretical Models of the Electrical Discharge Machining Process. Part III: The variable Mass, Cylindrical Plasma Model / P. T. Eubank, et al. // J. Appl. Phys., 73(11): 7900-7909(1993).

12. Вольмир A.C. Устойчивость упругих систем. M., Физматгиз, 1963. 880 с.18. http://www.microsystems.uk.com/english/success factors micro-milling hardened steels.html

13. Рыкалин, Н.Н. Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов: справочник. М.: Машиностроение, 1985. - 496 с.

14. Коваленко, B.C. Обработка материалов импульсным излучением лазеров. Киев, 1987, -144с.

15. Крюков П.Г. Лазеры ультракоротких импульсов// Квантовая электроника. 2001. 31. №2.

16. Вейко В.П. Лазерная микрообработка: конспект лекций по курсу «Физико-технические основы лазерных технологий». СПб: СПбГУ ИТМО, 2005.- 110 с.26. http://iop2b.web.officelive.com/LM.aspx

17. Трубников Б.А. Теория плазмы: учеб. пособие для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1996. - 464 с.

18. Технология многослойных печатных плат / A.A. Федулова, и др.. -М.: Радио и связь, 1990.- 208с.

19. Кудинов В.В., Бобров Г.В. Нанесение покрытий напылением. Теория технология и оборудование: учебник для вузов. М.: Металлургия, 1992. -432с.

20. Мишенин Д.И. Электрохимическая размерная обработка методом обката при сверхмалых межэлектродных зазорах: дис. канд. техн. наук. -Тула. 2003.

21. Анализ моделей процессов электрохимической и электроэрозионной обработки. Ч. 2. -М.: ВНИИПИ,1991. 170 с.

22. Анализ моделей процессов электрохимической и электроэрозионной обработки. Ч. 3. Новые технические решения по электрохимической и электроэрозионной обработки. М.: ВНИИПИД991. - 163 с.33. http://www.ugatu.ac.ru/publish/vu/stat/UGATU-2008-2i29Vl5.pdf

23. Электрохимическое маркирование деталей / В.П. Смоленцев и др.. М.: Машиностроение, 1983. -72с.

24. Татаринов В.Н. Электрохимическое формообразование регулярных рельефов на деталях инструментальной оснастки: дис. канд. техн. наук. -Тула. 2004.

25. Гнидина И.В. Импульсное электролитическое формирование микрорельефов: дис. канд. техн. наук. Тула 1999. - 180 с.

26. Influence of selected groups of additives on breakdown in EDM sinking / W. Rehbein, et al. // Proceedings of International Symposium for Electroma-chining - ISEM XIV. 2004. P. 58 - 64.41. http://www.sodick.org/technologv/edm-technology.html

27. Екатериничев А.Л. Электроэрозионное вырезание микрообъектов // Сборник трудов «Аэрокосмические приборы и технологии». Санкт-Петербург, 2004.

28. Отто М. Ш., Ссорин Ю. А. Особенности эвакуации продуктов эрозии из межэлектродной полости при малых расходах рабочей жидкости // Электрофизические и электрохимические методы обработки. Вып. 6. М.: НИИМАШ, 1980.

29. Падогин А. А. Особенности электроимпульсной обработки при круговом поступательном движении электрода-инструмента // Станки и инструмент. № 9. 1967.

30. Полоцкий В. Е. Парообразование в рабочей зоне и его роль в процессе электроэрозионной обработки // Электрофизические и электрохимические методы обработки. Вып. 5. М.: НИИМАШ, 1968.

31. Коренблюм М. В. Чистовая электроэрозионная обработка с малым износом инструмента // Станки и инструмент. № 6. 1980.

32. Кувшинов К.В. Технологии изготовления электродов-инструментов с микроэлементами // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. - Вып. 3. - С. 48-57.

33. Татаринов В.Н. Моделирование процесса электрохимического формирования искусственной шероховатости // Известия Тульского государственного университета. Сер. Электрофизические воздействия на материалы. -Тула, 2001. С-68-77.

34. Кувшинов К.В. Исследование процесса электролитического формирования микрообъектов // Современная электротехнология в машиностроении: сборник трудов международной НТК. Тула: Изд-во ТулГУ, 2007. - С. 188-191.

35. Сундуков В.К., Кувшинов К.В. Электролитическое формирование покрытий на маложестких микрообъектах // Современная электротехнология в машиностроении: сборник трудов международной НТК. Тула: Изд-во ТулГУ, 2007.-С. 131-136.

36. Кувшинов К.В. Изготовление фасонных электродов-инструментов для микроэрозионной обработки: сборник тезисов всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов. Тула: Изд-во ТулГУ 2008. - С.104-106

37. Кувшинов К.В., Курочкин А.И. Получение поверхностных микроэлементов методом микроэлектроэрозионной обработки // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Тула: Изд-во Тул-ГУ, 2012. - Вып. 5. - С. 177-186.

38. Положительное решение о выдаче патента РФ по заявке № 2012132740 от 08.11.2012 г. на полезную модель «Электрод-инструмент для микроэлектроэрозионной обработки».